3机械创新设计-第三章

•例3-1 图示的缝纫机梭心摆动机 构，前置子机构为铰链四杆机构， 后置子机构为导杆机构，其中导 杆OBC与摇杆OBB联为一体。当主动 曲柄OAA回转时，从动摇杆OBB作往 复摆动，其最大摆角为3，该摆 角满足不了缝纫机梭心摆动的摆 角要求，为此，通过串联一导杆 机构，则摇杆OCC的摆角5可达 200°左右，增大了输出摆角，即 可满足缝纫机梭心的摆动要求。 该串联式机构组合实现了输出摆 角增大作用。
•连杆机构的结构设计时，要注意以下问题： •(1)各构件的运动不能发生干涉——当构件安装位置 不当时，有可能使杆件运动发生干涉，此时可通过 改变杆件的安装平面来解决。 •(2)机构平衡——机械在高速运行时所产生的惯性力 和惯性力矩会造成机器的强烈振动与噪声，由惯性 力引起的运动副中动压力的急剧增加，会加剧机件 的磨损和疲劳失效，从而降低机械的运动精度和平 稳性。故应将机构平衡与结构设计一并考虑。 •(3)机构系统的运动精度——影响机构系统运动精度 的主要原因有尺寸误差、运动副的间隙误差、构件 的弹性变形等因素。
r3' H 2 1 r R 3
' r 当 3 r3 时，H>4R。
该串联式机构组合， 实现了输出行程成 倍增大作用。
•2)前置子机构为凸轮机构——通常后置子机构利用 凸轮机构输出构件的运动规律，改善后置子机构的 运动特性，或使其运动行程增大。后置子机构可以 是连杆机构、齿轮机构、槽轮机构等。 •例3-4 增大运动行程的凸 轮—连杆机构，前置子机构 为摆动从动件凸轮机构，后 置子机构为摇杆滑块机构。 凸轮机构的从动件与摇杆滑 块机构的主动件联为一体。 该机构利用一个输出端半径 r2大于输入端半径r1的摇杆 BAC，使C点的位移大于B点 的位移，从而可在凸轮尺寸 较小的情况下，使滑块获得 较大行程。
常 见 的 轴 毂 联 接 方 式 的 结 构
•3.支承的变异——包括支点位置变异和支点轴承的 种类及其组合的变异。
两支点轴系承受轴向载荷情况
其中g、h、j、l、n、o、p方案为过定位方案，实际均不采用， 其余9种方案中b、e方案，i、c方案，d、m方案分别为对称方 案，故实际上有6种方案在不同场合被采用。
•2.常用构件的结构设计 •(1) 齿轮类构件的结构设计 •如齿轮不大时，可做成圆盘状 •大一些可做成凹心腹板状 •为减轻重量，还可在其腹板处开孔 •当齿轮较小时，可把齿 轮与轴做成一体式的齿 轮轴 •更大的齿轮可做成辐条 状齿轮
•(2)凸轮类构件的结构设计 凸轮以直接接触传递运动，因而容易导出准确且 多种动作，其显著特点是能从几何学角度上做出任意 而复杂的动作。凸轮的类型主要有盘形凸轮、移动凸 轮、圆柱凸轮及圆锥凸轮。凸轮类构件的结构设计与 其从动件的形状、锁合 方式、加工方法及凸轮 的尺寸有密切关系。如 凸轮的基圆半径较小， 采用弹簧锁合时，常做 成凸轮轴形状；如凸轮 的基圆半径较大，可做 成盘状凸轮，通过键与 转轴联接。
•四、结构方案的变异设计
•1.功能面的变异 •零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能 表面的设计是零部件设计的核心问题。通过对功能 表面的变异设计，可得到为实现同一技术功能的多 种结构方案。 •螺钉用于联接时需要通过螺钉头部对其进行拧紧， 而变换旋拧功能面的形状、数量和位置，可得到螺 钉头的多种设计方案。（图3-13a、b、c）头部结构 使用一般活动扳手拧紧，可获得较大的预紧力，但 不同的头部形状所需的最小工作空间（扳手空间） 不同；（图3-13d）滚花型螺钉头和（图3-13e）元 宝型螺钉头主要用于手工拧紧，预紧力较小；（图 3-13f、g、h）的扳手作用在螺钉头的内表面，所需 联接处空间小，但需专用扳手；（图3-13i、j、k、 l）分别是用“十字”和“一字”旋具拧紧的螺钉头 部形状，所需扳手空间小，但拧紧力矩也小。
•3)前置子机构为齿轮机构 齿轮机构的输出通常为 转动或移动。后置子机构可以是各种类型的基本机 构，可获得各种减速、增速以及其它的功能要求。
•例3-5 齿轮和圆柱凸轮组合的行程增大（减小）机构，前 置子机构为齿轮机构，后置子机构为圆柱凸轮机构。齿轮2与 凸轮3、5固定联接，齿轮1转动时，齿轮2带动凸轮一起转动， 但由于凸轮机构5－4中的从动件4不能左右移动，故凸轮5边 转边移，凸轮3也边转边移，带动从动件6往复移动，使从动 件6的行程增大或减小。若凸 轮3、5曲线槽的升程分别是s3、 s5，从动件6的移距s6则是s3与 s5的合成：
•二、运动副的结构设计 •1.转动副的结构设计 •转动副是机械中最常见的运动副，沿圆周提供封闭 的约束。可使用滚动轴承或滑动轴承。 •一般情况下，滚动轴承内圈随轴转动，外圈不动； 特殊情况下也可相反使用。
•2.移动副的结构设计 移动副的结构比较复杂，可以用高副式的移动副，也 可用低副式的移动副。a为常见移动副简图，b为重力 封闭，c为重力封闭与形封闭相结合，d为重力封闭点 接触式，e为柱面移动副，f为带滑键的柱面移动副， g为形封闭点接触式，h为形封闭结构，i为滚子与轮 轨接触形成，j为 滚子与滑槽接触 形成。
第三章
机构的结构设计与创新
• 主要内容： • 机构的结构分析及设计——包括构件、运动副、机 构系统的结构设计和结构方案的变异设计 • 机构的组合与创新——包括串联式、并联式、复合 式和叠加式机构组合与创新 • 机构的演化与变异——包括运动副、构件、机架的 变换与创新，机构的等效变换与创新，机构运动原 理的仿效与创新 • 机构的选型与创新——介绍机构选型的原则、方法 和机构的综合 • 机械结构创新设计实例——介绍平动齿轮传动机构 的设计
•2)力锁合联接——依靠被联接件表面间的压力所派 生的摩擦力传递转矩和轴向力，表面间压力的产生 可依靠多种不同的结构措施。 •过盈配合是一种常用的结构措施，但过盈联接的装 配与拆卸都很不方便，并引起较大的应力集中。 •其它有楔键联接、弹性环联接、圆柱面过盈联接、 圆锥面过盈联接、顶丝联接、容差环联接、星盘联 接、压套联接和液压涨套联接等，其中有些是通过 在联接面间楔入其它零件（楔键、顶丝）或介质 （液体）使其产生过盈；有些则是通过调整使零件 变形（弹性环、星盘、压套），从而产生过盈。
•2.联接的变异 •联接的作用是通过零件的工作表面与其它零件的相 应表面的接触来实现的，不同形式的联接由于相接 触的工作表面形状不同，表面间所施加的紧固力不 同，从而对零件的自由度形成不同的约束。 •下面以轴毂联接为例： •(1)固定联接——不具有相对运动自由度，固定联接 需要限制6个相对运动自由度。 •1)形锁合联接——通常要求被联接表面为非圆形。 常用的形锁合联接有销联接、平键联接、半圆键联 接、花键联接、成形联接和切向键联接等。
•一、串联式机构组合与创新
•1.串联式机构组合的原理与创新方法 •串联式机构组合是指若干个单自由度的基本机构顺 序联接，以前一个机构的输出构件作为后一个机构 的输入构件的机构组合方式。 •2.串联式机构组合的主要功能分析 •(1)Ⅰ型串联式组合 •1)前置子机构为连杆机构 连杆机构的输出构件一 般是连架杆，它能实现往复摆动、往复移动及变速 转动输出，可具有急回特性。常采用的后置子机构 有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、槽轮机构、 棘轮机构。
• 本章要求 • 在学习构件结构设计时，要从材料选择出发，所确 定的结构除应能够实现原理方案所规定的动作外， 还应该满足对结构的强度、刚度、稳定性、精度、 工艺性、寿命、装配、经济性、可靠性等方面的要 求。 • 要熟悉各种常见结构方案的变异，掌握结构设计方 案的分析方法，以便找到合适的结构方案来满足功 能要求。 • 通过了解和掌握各种机构的组合方式，便于将各种 基本机构组合起来创新设计出机构组合系统。 • 熟练掌握机构的运动副、构件和机架的演化和变异， 以开发出比基本机构性能更优异的新机构，或改善、 扩大基本机构的功能和性能，达到机械结构创新的 目的。
•3.机械零件组合成构件的方法 •通过螺纹、过盈配合、焊接、粘接等刚性联接成一 个构件。 •如在尺寸较大的蜗轮中，为节约贵重的青铜合金， 常用铸铁轮心与青铜轮缘刚性组合成蜗轮，这样的 组合是为了降低产品的成本，提高市场竞争力。 •组合构件的选用可从制造工艺、安装方法、构件尺 寸及构件形状等多方面因素去考虑，如内燃机连杆 的大端孔要与曲轴配合，必须做成剖分式才能安装 在曲轴上。 •组合构件的设计及安装，都必须保证各零件之间的 刚性联接。为方便更换易损零件，有些组件具有可 拆性的要求。
•3.高副的结构设计 •某些特定场合需涉及到高副的结构设计。如用滚子 导轨代替平面摩擦导轨时，滚子的直径与宽度、滚 子的间距、定位措施等都需进行严格的结构设计。 用滚珠丝杠代替普通丝杠时，原来的低副转变为高 副，也需进行结构设计。
•三、机构系统的结构设计
•由连杆机构组成的机械系统的结构设计难度较大， 是创新设计成果最多的领域。 •双曲柄机构既可设计为泵，也可设计为轴系结构。
第二节 机构的组合与创新
•机构的组合原理，是指将几个基本机构按一定的原 则或规律，组合成一个复杂的机构，这个复杂的机 构有两种形式，一种是由几种基本机构融合成性能 更加几种基本机构组合在一起，组 合体的各基本机构还保持各自特性，但需要各个机 构的运动或动作协调配合，以实现组合的目的，这 种形式被称为机构的组合。 •基本机构主要是指机械中最常用的、最简单的一些 机构，如四连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇 运动机构等。利用这些基本机构的良好性能，改善 它们的不良特性，运用机构组合原理构造出既满足 工作要求，又具有良好运动和动力性能的机构。
第一节 机构的结构分析及设计
• 一、构件的结构设计
•1.构件的结构设计原则 •1)根据受力大小、方向及对机构的具体要求，合理 选择构件材料。 •2)工艺过程要合理。一般可选型材、铸件、锻件等 进行机械加工，且有良好的结构工艺性。 •3)选择适当的横截面形状及尺寸。 •4)结构化的构件要满足强度、刚度等要求，符合安 全性与可靠性指标。 •5)要考虑到与其它构件的可联接性及联接特点。 •6)构件之间不能发生运动干涉现象。 •7)要考虑到经济性，尽量降低成本。 •8)便于安装、维护。